(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ガリウムを主成分とする液体成分と、
酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、窒化珪素、炭化珪素のうち、１種又は２種以上の組み合わせを主体とする粒子成分と、
の混合物であり、
前記混合物中の前記粒子成分の体積比率が０体積％を超え、かつ、１体積％以下である第１の混合物と、前記混合物中の前記粒子成分の体積比率が２０〜５０体積％である第２の混合物とが、交互に層をなすことを特徴とする、高温炉内用封止材。
【請求項２】
液体成分と粒子成分の混合物であって、
前記混合物の液体成分が、金属ガリウムを主成分とする液体成分であり、かつ、前記混合物の粒子成分が、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、窒化珪素、炭化珪素のうち、１種又は２種以上の組み合わせを主体とすると共に、
前記混合物の粒子成分の体積比率が、２０〜５０体積％である混合物が層をなすことを特徴とする、高温炉内用封止材。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の封止材を収めた上方に開放された箱型容器にしきり板を抜き差しすることによって、封止を行うことを特徴とする、高温炉内用封止機構。
【請求項４】
上方に開放された箱型容器に収めた請求項１又は２に記載の封止材の上に、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、窒化珪素、炭化珪素のうち、１種又は２種以上の組み合わせを主体とする粒子層を積載すると共に、前記粒子層にしきり板を貫通させて抜き差しすることによって、封止を行うことを特徴とする、高温炉内用封止機構。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の封止機構を少なくとも有することを特徴とする、高温炉内用仕切弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コークス炉等の各種高温ガスを取り扱う産業に係わる装置に使用する高温炉内用の各種装置用の封止材及び封止機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄用のコークス炉では、石炭の乾留時に発生する石炭乾留ガス（ＣＯＧ）を集合配管で回収して燃料に使用している。この際、発生するＣＯＧは、９００℃程度までの高温であるので、ガスの顕熱を回収して省エネルギを図ることが原理的には可能である。しかしながら、ＣＯＧ中には高沸点ガスであるタールが含有されており、７００℃以下にＣＯＧの温度が低下するとタールが凝縮する性質を持つ。一旦凝縮したタールは、凝縮後に性質が変化して、再度過熱しても容易には蒸発しない物質に変化することが多い。また、ＣＯＧには、メタン等の炭化水素の形で含有されていた炭素が７００℃以上の高温で分解して固体の炭素（煤）として析出する（この現象をコーキングと呼ぶ。）性質も有する。この一旦析出した固体炭素も、互いに強固に結合しているため、再度温度を低下させても容易には炭化水素化しない。
【０００３】
従来技術において、仮に、高温のＣＯＧを流通させる場合、このようなタールや固体炭素が管路系設備（管路、弁、送風機等）のＣＯＧ接触面において多量に付着するため、管路系設備の操作が困難となる。このため、従来、コークス炉にて発生したＣＯＧは、コークス炉の上昇管から排出されると、直ちに水冷されて常温化とされていた。この際、タールは凝縮してＣＯＧから分離されて冷却水中に混和して除去されるので、常温のＣＯＧ中の低沸点ガス（これをドライＣＯＧと呼ぶ。）のみが燃料として回収されてきた。ドライＣＯＧには、特段の作業上の問題はないので、一般的な産業用管路系設備を適用することができ、管路のガス流れを自由に制御できる。
【０００４】
一方、前記上昇管中は、ＣＯＧはタールを除去されていないガス（ウェットＣＯＧと呼ぶこととする。）と接触せざるを得ないので、上昇管内面へのコーキングが避けられない。また、ＣＯＧは一連の石炭乾留作業のプロセスにおいて低温化する場合があり、このとき、ＣＯＧ中のタールの凝縮物が上昇管内壁面に付着して、強固な固着層を形成することもある。これらの付着物は、操業を継続すると増大し続けて上昇管の管路を閉塞させるので、上昇管の管路では、一定短周期毎、例えば、毎日、上昇管内面に付着した炭素を焼き取る作業を必要とする。このような上昇管で生じるタール付着やコーキングの問題は、上昇管に限らず、ウェットＣＯＧを流通させる管路系に共通の問題である。
【０００５】
また、ウェットＣＯＧ中には、粉石炭に由来する、直径数μｍから数ｍｍ程度の煤塵が、例えば、１ｇ／ｍ３以上といった高濃度で浮遊している。このため、ウェットＣＯＧに精緻なメカニカルシールを施したとしても、この煤塵がシール部に容易に噛みこんでシール性を極端に悪化させる問題も存在する。
【０００６】
このため、従来技術においては、タール付着、コーキングの問題及びガス中煤塵で、ＣＯＧの顕熱は殆ど利用されることなく、ＣＯＧは速やかに水冷されていた。例えば、特許文献１に示す、上昇管とドラインメーンの間に流量調整弁を設置する方法においては、流量調整弁を流通するＣＯＧは、スプレー水散布によって既に低温化されたものであり、また、流量調整弁単独ではガスの流通を遮断することはできないので、別途、水封弁を必要とする。特許文献２には、ウェットＣＯＧ用の遮断弁が開示されているが、この装置では弁座と弁体が共にウェットＣＯＧに接触し続け、これらの表面での激しいコーキングやタール凝縮固化が避けられないので、頻繁な清掃作業が必要である。また、特許文献３には、上昇管内に空気配管を設けて、上昇管内の高温なＣＯＧ流れによって空気管内を流通する空気を加熱することで排熱回収を図っている。しかし、この装置の場合、ＣＯＧの冷却量が大きいと、ＣＯＧが直ちにタールとして空気配管表面に凝縮固化して伝熱を阻害すると共に、上昇管を閉塞させる問題を生じるので、ＣＯＧ顕熱の僅かな部分しか回収できないと言う問題がある。
【０００７】
このように、高温ウェットＣＯＧの顕熱利用に際しては、排熱回収を目的とするよりも、高温でしかなし得ないＣＯＧの有用な化学反応（ガス改質）を促進することを主眼にする方が有利と考えられる。
【０００８】
上昇管にも管路開閉の必要があるので、通常、上昇管頂部蓋及びドライメーン蓋の２つの弁が設けられている。上昇管頂部蓋は、乾留終了後にコークス炉内の残留ガスを大気中に放散させつつ燃焼させるためのものであり、上昇管との間では、作業中には水封されている。あるいは、付着物析出によって上昇管頂部蓋が上昇管に固着することを避けるため、上昇管と蓋との間に予め隙間を設けて完全にはＣＯＧを封止しない構造とすることもかつては採用されてきた。また、ドライメーン蓋は、上昇管とドライメーンを繋ぐ管路の蓋であるが、こちらも、管路閉止する場合には水封されている。このように、従来技術でウェットＣＯＧに接触し得る弁は、低温に維持されるか、完全に封止しない構造のものであった。
【０００９】
また、特許文献４には、ガリウムを含有する液体金属合金とアルミナ等を混合してペースト化したものを用いる変形性充填剤について開示されている。特許文献５には、潤滑材中にガリウムを分散混合した潤滑材成形物が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１０７４６６号公報
【特許文献２】実公昭６２−３９０７７号公報
【特許文献３】実開昭５８−７８４７号公報
【特許文献４】特開２００３−２３４５８６号公報
【特許文献５】特開２００９−１６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ウェットＣＯＧの状態でＣＯＧの顕熱を利用するためには、高温状態のウェットＣＯＧの管路系内での流通を制御するための管路を開閉できる弁が必要不可欠である。しかしながら、従来技術の弁（蓋）ではウェットＣＯＧを完全には封止できないか、ウェットＣＯＧ中に含まれる煤塵が弁座と弁箱内に噛みこんで弁の開閉及び封止性を阻害するか、ウェットＣＯＧを低温化してしまうか、あるいは、操業（石炭乾留）を頻繁に終了して弁内面に固着するタールや固体炭素を、除去する必要がある等、不確実か実現困難なものしか存在しなかった。
【００１２】
このようにウェットＣＯＧ用の仕切弁が従来存在しなかったことの大きな原因に、常温から９００℃の広い温度範囲、特に、高温で安定して適用可能な仕切弁用の封止材が存在しなかったことが挙げられる。前述のように、水、油脂、溶融塩等は、上記圧の低い安定した液相で存在し得る温度範囲が本発明で対象とする温度範囲に比べて極端に低いので、封止材として適当ではない。樹脂系の材料を用いる一般的な封止材は、約３００℃以上の高温では分解・変質するので、封止材には適用することはできない。従って、特許文献４の技術では、ベーストに樹脂を用いることが前提であるので適用できない。特許文献５の技術では、得られる成形物の粘性を、広い範囲で安定させることが困難なので、封止材として適当ではない。
【００１３】
そこで、本発明においては、ガス成分による弁座や弁体の汚染や腐食が問題になり、かつ、高温を維持し続けなければならないガス、例えば、常温から９００℃程度までのウェットＣＯＧ、に対して、安定的に適用可能な封止材、並びに、この封止材を用いた封止機構及び仕切弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
そこで、本発明者の研究の結果、以下の解決方法を発明するに至った。
【００１５】
第１の発明は、金属ガリウムを主成分とする液体成分と、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、窒化珪素、炭化珪素のうち、１種又は２種以上の組み合わせを主体とする粒子成分との混合物であり、前記混合物中の前記粒子成分の体積比率が０体積％を超え、かつ、１体積％以下である第１の混合物と、前記混合物中の前記粒子成分の体積比率が２０〜５０体積％である第２の混合物とが交互に層をなすことを特徴とする高温炉内用の封止材である。
【００１６】
第２の発明は、液体成分と粒子成分の混合物であって、前記混合物の液体成分が金属ガリウムを主成分とする液体成分であり、かつ、前記混合物の粒子成分が酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、窒化珪素、炭化珪素のうち、１種又は２種以上の組み合わせを主体とすると共に、前記混合物の粒子成分の体積比率が２０〜５０体積％である混合物が層をなすことを特徴とする高温炉内用封止材である。
【００１７】
第３の発明は、第１発明又は第２発明に記載の封止材を収めた上方に開放された箱型容器に、しきり板を抜き差しすることによって、封止を行うことを特徴とする高温炉内用封止機構である。
【００１８】
第４発明は、上方に開放された箱型容器に収めた第１又は第２発明に記載の封止材の上に、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、窒化珪素、炭化珪素のうち、１種又は２種以上の組み合わせを主体とする粒子層を積載すると共に、前記粒子層にしきり板を貫通させて抜き差しすることによって、封止を行うことを特徴とする高温炉内用封止機構である。
【００１９】
第５発明は、第３発明又は第４発明に記載の封止機構を少なくとも有することを特徴とする高温炉内用仕切弁である。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように本発明によれば、高温炉内の広い温度範囲での各種機器の封止が容易になり、例えば、ウェットＣＯＧの顕熱を利用する各種ガス改質技術が適用可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態における封止材を用いた封止機構の模式図である。
【図２】本発明の実施形態において弁を開放した状態の模式図である。
【図３】本発明の実施形態において弁を閉止した状態の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２３】
まずはじめに、本発明の封止材の原理について説明する。
【００２４】
金属ガリウムは、本発明が対象とする温度範囲で常に液体であり、かつ、蒸気圧も低いので、基本的に好適な封止材原料になり得る。但し、金属ガリウムをそのまま封止材として適用した場合、ウェットＣＯＧを含む約５００℃以上の高温酸化雰囲気下では、金属ガリウムが酸化して、表面に固体の酸化ガリウムを生じ、金属ガリウムが減損すると共に、封止材全体の変形性が低下する問題が存在する。酸化ガリウムの酸化部位をガリウムの薄い表層に限定できれば、この酸化層がバリアとして内部の金属ガリウムへの酸化を抑制することができ、封止材全体の変形性の悪化を長期に渡って抑制することが原理的には可能である。しかし、液状の金属ガリウムは粘度が比較的低いため、金属ガリウム中を弁体が通過する際や自然対流によって金属ガリウムは容易に撹拌されて、頻繁に新鮮な金属ガリウムが雰囲気中に露出して、そこで新たな酸化ガリウムを生成させるため、高温酸化雰囲気下では、金属ガリウムの酸化が急速に進行するので、頻繁な封止材の交換が必要となり、不経済である。
【００２５】
そこで、金属ガリウムの流動性を低下させて、容易には撹拌されないようにすることが考えられる。例えば、金属ガリウムに、高温でも安定な微粒子を混合して一様にスラリー化したものを封止材とすれば、封止材の粘度が金属ガリウムに比べて上昇するので、封止材中での対流を抑制して封止材表面に古い酸化層を長期に維持できる。しかし、仕切弁の弁体等のような間欠的な封止が必要な場合には、一旦、封止を切った後、再度、封止を行うまでに封止材が自重による変形で、略水平状態に復帰しないと、再封止できない場合がある（この特性を、以下、封止材形状の復元性と呼ぶ。）。例えば、弁体を封止材から引き上げる際に、弁体への封止材の連行等によって封止材の底部の一部を広げてしまった場合には、その広がり部分が自重で自動的に変形しなければ、次の弁体降下時に、封止材の底部での広がり部で、弁体と封止材の間に隙間を生じる場合がある。このように自重で封止材が自動的に変形するためには、封止材の粘度は低くなければならない。封止材の粘度が常に一定であれば、対流の防止と自重による変形を両立できる最適な封止材粘度を見出すことができるかもしれない。しかし、本発明で対象とする温度域では、高温域と低温域では、例えば、粘度が１桁〜２桁程度変動するので、現実的にはこのように対流の防止と自重による変形を常に両立できるスラリー原料の配合は困難である。
【００２６】
そこで、本発明者らは、対流を防止するためには、必ずしも封止材の粘度を高める必要のないことを見出し、広い温度範囲で低粘度であり、かつ、対流を大きく抑制する素材を発明した。
【００２７】
即ち、高温でも粘度の低い金属ガリウム−粒子混合物を基材として、これに、粘度の高い金属ガリウム−粒子混合物を骨材として添加し、基材と骨材が積層するように混合する。その結果、基材は、骨材に挟まれた領域では自由に運動できるので、材料全体としての粘度は、大きく上昇することがない（粘性の異なる材料を、例えば、同量で混合した場合、混合物の粘度は、通常、粘性の低い材料に近い値となるからである。）。一方で、骨材に挟まれた基材は、骨材に移動を阻まれるので、骨材を超えて大きな距離を移動することは困難である。このため、基材の自然対流による移動は骨材に挟まれた狭い領域に限定されるので、例えば、材料表面の基材は、長期に材料表面に残留して、材料内部の金属ガリウムの表面への露出を抑制し、材料全体での金属ガリウムの酸化速度を著しく低減できる。従って、本発明での封止材では、広い温度範囲において、材料の酸化による減量を抑制することと、低い粘度を維持して封止材形状の復元性を確保することを両立できるという、従来にない機能を発揮することができる。
【００２８】
次に、本発明の他の特徴について説明する。
【００２９】
第１の特徴は、常温から９００℃程度の高温までの温度範囲で物理的な性質の大きく変化しない材料を仕切弁の封止材として用いることで、本発明に求められる広い範囲での弁等の封止性を確保している点である。これに対して、従来技術の封止方法、例えば、水封弁の場合、高温では水を液相として維持できないので、これを適用することができない。
【００３０】
第２の特徴は、次のとおりである。仕切弁では、所要機能に応じて仕切弁部品間で異なる材料を組み合わせて用いることが一般的である。このような仕切弁が広い温度範囲で使用される場合、前記部品間の熱膨張差が生じるので、前記部品間の接触、例えば、弁座と弁体間の接触において、機械加工で言うところの嵌め合いを広い温度範囲で同一状態に維持することは困難である。また、９００℃といった高温で弁が使用される場合、長期的にはクリープによって材料の変形することが避けられないので、作動温度が一定であっても、長期間に渡って同一の嵌め合いを維持することも困難である。従来技術の仕切弁では、弁体を弁座に締め付けることによって作動流体の封止を行う構造であるので、弁の嵌め合いが変化すると、弁体と弁座間に隙間を生じて封止が不完全となることや、逆に、弁体と弁座間の接触力が過大となって、弁体を移動できなくなると言った問題が起きる。一方、本発明では、本来、可動性の高い、比較的厚い封止材を用いて弁体の封止を行うので、嵌め合いを考慮する必要はなく、上記の問題を回避することができる。
【００３１】
第３の特徴は、金属ガリウムを封止材の成分に用いることにより、本発明では、ほぼ常温から９００℃といった広い温度範囲で、動作可能で、かつ、完全な封止のできる仕切弁を実現することができる。従来技術のメタルタッチによる弁の封止の場合、このような広い温度範囲で動作可能なものは、弁座と弁体が接触可能な特定の温度以外の温度域では、弁部品間の熱膨張率差によって弁座―弁体間で隙間を生じて封止性を確保することはできない。
【００３２】
第４の特徴は、金属ガリウムを、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、窒化珪素、炭化珪素のうち、１種又は２種以上の組み合わせを主体とする粒子層と混合して用いることである。このような粒子は、広い温度範囲で安定しており、ウェットＣＯＧに接触しても変質することがないので好適である。また、封止材表面で酸化性のガスに接触金属ガリウムが、封止材中に含まれる粒子面積の分だけ減少するので、金属ガリウムの酸化減量を低減することができる。
【００３３】
第５の特徴は、約５００℃を超える高温酸化性雰囲気下（ＣＯＧは多量の水蒸気を含むので、高温では酸化性ガスである。）では強く酸化されて減量する、金属ガリウムを封止材として用いる際、本発明では金属ガリウムの表面に金属ガリウムよりも密度の低い粒体を積載して通気性を阻害することにより、金属ガリウムの表面酸化を抑制することができ、ガリウムの交換頻度を大幅に削減することができる。
【００３４】
第６の特徴は、本発明では弁の構造物の大半を加熱炉内に配置するので、弁の部品間の温度差を低減することができることである。従来技術で高温ガスを流通させる弁では、高温ガスとの接触部位である内側を高温に保ち、かつ、弁の外側を低温に保つことにより、弁の強度と作業性を確保することが指向されてきた。このような設計前提で、弁に加熱装置設けない場合、弁を通過する高温ガスは弁によって冷却されるので、例えば、ウェットＣＯＧを流通させる際にタールの弁内面への析出の避けられない問題がある。また、弁の内側に加熱装置を設けることによって弁を通過する高温ガスからの抜熱を避ける方法も考えられるが、この場合、弁の内側と外側での温度差が大きいため、弁の内側を一様に一定温度に制御することが困難である。また、これら従来技術の方法では、弁の部品間に大きな温度差が与えられるので、９００℃と言った高温で弁を使用する場合、大きな熱応力を生じて弁の寿命を著しく低減してしまう問題も生じる。本発明では、弁を通過する高温ガスとほぼ同一の温度に保持された加熱炉内に弁を配置することによって弁全体の温度を一様、かつ、一定に保持できるので、上記の従来技術での問題を回避することができる。
【００３５】
［第１の実施形態］
本実施形態では、本発明での封止材について説明する。
【００３６】
（封止材の原料）
本発明の封止材原料には、液体成分として、金属ガリウムを主成分とする低融点、かつ、高沸点の金属材料を用いる。金属ガリウムの融点は２９℃であり、沸点は２０００℃以上であるので、高温炉の炉温を融点以上に維持することにより、作動ガス温度が常温から９００℃の範囲で封止材は液相を維持できる。９００℃における金属ガリウムの蒸気圧は、０．１Ｐａ程度以下と極めて低いので、封止材の蒸発によって生じ得る数々の不具合、例えば、弁の下流側設備内での封止材の凝固による付着物発生を回避することができる。
【００３７】
ここで、「金属ガリウムを主成分とする金属材料」とは、液体金属中で金属ガリウムが５０質量％以上を占めるものを指し、上記の金属ガリウムの性質、特に、常温程度以下の低温である融点、かつ、ウェットＣＯＧの操作温度よりも十分の高温である沸点を有するという利点を大きく損なうことない範囲で微量の不純物又は添加物が金属ガリウムに含まれ得る。
【００３８】
例えば、金属ガリウム６８．５質量％、インジウム２１．５質量％及び錫１０質量％を含有する液体金属は、成分中でガリウムが大半を占め、かつ、融点が−１９℃、沸点が１３００℃以上であり、金属ガリウムの性質を大きく損なうとはいえないので、本発明でいうところの金属ガリウムを主体とした液体金属に含まれる。また、不純物を合計約１質量％のオーダで含み得る再生ガリウム等の材料も、常温程度以下の低温である融点、かつ、ウェットＣＯＧの操作温度よりも十分の高温である沸点という条件を満たす限り、本発明でいうところの金属ガリウムを主成分とする金属材料に含まれる。
【００３９】
また、粒子成分として、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、窒化珪素、炭化珪素のうち、１種又は２種以上の組み合わせを主体とする粒子成分との混合物を主成分とした粒子を用いる。これらの物質は、常温から９００℃の温度範囲で安定であり、金属ガリウムとの濡れ性を有し、ウェットＣＯＧとの反応性が低く、さらに、この温度域では焼結性も低いので混合物の原料として好適である。他の物質、例えば、珪砂の場合、この温度域で変態を生じるため、粒子が崩壊し易く、封止材原料として好適ではない。また、ソーダガラス粒を用いる場合、この温度域では、軟化、焼結を生じ得、混合物中で接触した粒子同士が焼結によって粗大化するので、封止材原料として好適ではない。
【００４０】
粒子成分の粒径は、好ましくは直径１００ｎｍ以上、かつ１００μｍ以下であることが好ましい。この範囲よりも大きい粒子の場合、適度な粘性を有する封止材を製造することが困難であり、この範囲以下の粒子は、入手が困難で、かつ、液体成分中に均一に分散させることが困難なので好適ではない。
【００４１】
ここで、主体とは、上記の粒体が５０質量％以上を占めるものを指し、上記の粒体の性質、特に、常温から９００℃の温度範囲で安定であり、ウェットＣＯＧとの反応性が低く、さらに、この温度域では焼結性も低いという利点を大きく損なわない範囲で微量の不純物又は添加物が上記の粒体に、粒子として、又は、上記粒体の個別粒子の成分として含まれ得る。
【００４２】
例えば、窒化ホウ素の粒体を上記粒体に、例えば、５質量％程度以下の範囲で添加することができる。窒化ホウ素は高温での固体潤滑性が高いので、上記の粒体に少量添加することによって、粒体の流動性を向上する効果が期待できる。但し、窒化ホウ素粒体は機械的強度が低く、容易に崩壊するので、以下に示す望ましい粒体範囲を長期に維持することが困難であるため、大量に添加することには問題がある。
【００４３】
また、上記流体の粒子として、必ずしも高純度の粒体を用いる必要はなく、例えば、酸化珪素を含有し、ムライト化させたアルミナ−シリカ組成である粒子によって構成される粒体であっても、上記の粒体の性質を大きく損なわないシリカ含有比率範囲（例えば、３０質量％以下）であれば適用することができる。
【００４４】
封止材は、以上述べた種類に限定されるものではない。例えば、高純度の酸化タングステンは高温で安定性の高い物質であるので、これを所定の粒径で大量に製造できれば、本発明での封止材に適用することができる。
【００４５】
（混合物の製造）
前記液体成分と前記粒子成分とを、粒子成分の混合物中での体積比率が所定値となるように配合し、この配合物を二軸混練機等の市販の混練機等を用いて、粒子成分が液体成分中にほぼ均一に分散した状態の混合物を製造する。
【００４６】
体積比率の所定値として、０体積％よりも大きく１体積％以下であるものを第１の混合物（基材）として、２０体積％以上、かつ、５０体積％以下のものを第２の混合物（骨材）として、それぞれ別々に製造する。
【００４７】
また、第１の混合物において、粒子成分の体積比率が０％に十分近い場合には、実質的に、第１の混合物として１００％の金属ガリウムを用いることと効果に差はないので、説明の便宜上、粒子を一切含まない１００体積％金属ガリウムも第１の混合物に含めて、以下の封止材の製造を行う。
【００４８】
なお、第１の混合物として１００％の金属ガリウムを用いる場合には、ここでの混合作業は、不要である。基材中の粒子比率が上記の範囲よりも大きい場合には、基材の粘度が高くなり過ぎて、低温での封止材形状の復元性を阻害するので好ましくない。また、骨材中の粒子比率がこの範囲よりも大きい場合には、均一な混合物を得ることが困難になるので好ましくない。骨材中の粒子比率がこの範囲よりも小さい場合には、高温に封止材の大規模な自然対流を生じ得るので好ましくない。なお、本発明が対象とする適用温度領域は９００℃の高温を含むので、液体金属中にセラミックス粒を分散させる際にしばしば用いられる有機化合物系の界面活性剤や分散剤を混合作業時に添加することはできない。
【００４９】
（封止材の製造）
次に、第１の混合物と第２の混合物とを所定量配合して、市販の回転撹拌型のミキサ等を用いて、第１の混合物と第２の混合物とが完全に混和して一様化しない状態より前まで混合を行って、封止材を得る。
【００５０】
金属ガリウムは表面エネルギが適度に大きく、かつ、第１の混合物及び第２の混合物間での表面エネルギ差は比較的小さいので、これらの混合物は、撹拌によっては容易には分粒化せず、特に、回転撹拌のようにせん断力を与え続けることによって、第１の混合物及び第２の混合物をそれぞれ伸長させて互いに成層化させることができる。ここでの所定量としては、第２の混合物の封止材中での体積比率が５％以上３０％以下であることが好ましい。このようにして得られた封止材を顕微鏡観察すると、第２の混合物に対応する粒子成分の密度が高い部分と、粒子密度がこの１／１０以下である第１の混合物に対応する部分とが層状に存在する組織のものが得られる。また、このような組織の得られるように、前記ミキサの混合条件を適宜、調整する必要がある。
【００５１】
（封止材の性能）
液体成分の融点である常温付近から９００℃程度の温度範囲で、このようにして得られた封止材は、弁体等の封止における必須性能である、自重で大変形し得る低粘度を有し、かつ、封止材内での対流を防止することができ、高温炉内用の封止材として好適である。
【００５２】
［第２の実施形態］
本実施形態では、第１発明の封止材を用いた、封止機構及び仕切弁について説明する。
【００５３】
（弁の構造）
弁の開放状態に関して図２を、弁の閉止状態に関して図３を用いて説明する。
本実施形態は、常温から９００℃の高温までの温度範囲で封止材５を底部に貯留する弁箱１と、前記弁箱に、前記封止材の表面より上方において接続されたガス流出管４と、弁箱内において前記封止材５の表面より上方の位置で上方又は側方に向けた開口を備える前記弁箱１に接続されたガス流入管３と、仕切弁の閉止状態において、前記封止材５を用いて前記ガス流入管と前記ガス流出管との間でのガスの流通を阻害するように、前記封止材５に少なくとも弁体２の一部が埋没する位置である弁体下降位置に配置されると共に、仕切弁の開閉動作中の状態において前記ガス流入管３の弁箱内での開口部の上端よりも上方に弁体２の全てが存在する位置である弁体上昇位置に配置される弁体２と、前記弁体２の配置を、前記弁体下降位置と前記弁体上昇位置の間で変更する弁体昇降装置８と、を備えることを特徴とする高温炉内用ガス仕切弁を示している。
【００５４】
弁開放のとき、高温の作動ガスは、ガス流入管３から弁箱１に流入し、流出口４から流出する。このときの弁体２の位置を弁体上昇位置と呼ぶことにする。弁閉止のとき、下端が封止材に埋没した弁体２によって、弁箱内は、ガス流入管側の空間１９及びガス流出管側の空間２０に隔てられ、ガス流入管３からガス流出管４への高温の作動ガスの流通は阻害される。このときの弁体の位置を弁体下降位置と呼ぶことにする。弁体の封止材への埋没深さは、例えば１０ｍｍ以上１ｍ以下とすることができる。これよりも浅い埋没量である場合には封止材の円周方向での厚みバラツキを吸収できないので弁体下端と封止材の間に隙間を生じる可能性があるので好適ではなく、また、これ以上の深さの埋没量である場合には、実現できる封止能力に比べて装置が高価になり過ぎるからである。ガス流入管３の上端に接触することによって弁体２降下時の下端位置を固定するストッパ１８の位置を調整することによって、この弁体の封止材への埋没深さを設定することができる。
【００５５】
弁体上昇位置と弁体下降位置間で弁体２を移動させるためには、弁体２に接続された弁体昇降装置８を動作させる。弁箱の密閉を維持するために、弁体２と弁箱１間にはベローズ１４を設け、弁体２と弁箱１間での相対移動量の影響をここで吸収する。
【００５６】
（弁箱）
弁箱１は、高温炉内に設置される。弁箱は、底部に弁箱１の高さは、例えば、１００ｍｍ以上４ｍ以下とすることができる。封止材５の層厚は、例えば、１０ｍｍ以上１ｍ以下とすることができる。ガス流入管３及びガス流出管４の弁箱内での開口径は、例えば、１０ｍｍ以上３００ｍｍ以下とすることができる。ここで、弁箱１は底部に封止材を貯留し、かつ、弁体２の存在する空間に対して閉鎖されていないので、上方に開放された箱型容器に対応する。
【００５７】
（弁体昇降装置）
弁体昇降装置８を炉外に設置する場合には、昇降運動可能な市販のアクチュエータを使用することができる。例えば、エアシリンダ、油圧シリンダ、ラックアンドピニオン推進装置、ボールねじ推進装置、又は、リニアモータを用いることができる。耐熱性のアクチュエータを弁体昇降装置８に用いて、これを炉内に設置し、装置の小型化を図ってもよい。弁体の昇降位置を調整する方法は、手動で行ってもよいし、別途、距離計又は荷重計、並びに、制御装置を設けて自動制御してもよい。弁体昇降装置のストロークは、例えば、２０ｍｍ以上２ｍ以下とすることができる。
【００５８】
（構造材の材質）
炉内に配置される装置は、常温から９００℃程度の高温までの環境において、所要の強度、剛性、耐久性を有したものであればどのようなものでも使用することができる。例えば、変形する部品であるベローズ１４には、耐熱ステンレス鋼、又は、インコネルやハステロイ等の耐熱ニッケル合金等の金属を、これ以外の部品に関しては、前記の材料に加えて、黒鉛、カーボンコンポジット、アルミナ、カルシア、マグネシア、炭化ケイ素、又は、窒化ケイ素等を用いることができる。尚、黒鉛等、耐酸化性の低い材料を用いる場合には、炉内を非酸化性雰囲気、例えば、窒素雰囲気に維持することで、これらの材質を適用することができる。
【００５９】
封止材５中の金属ガリウムは金属材料との間で合金を生じ得るので、金属ガリウム接液部には、上述の各種セラミックスを用いた構造材、又は、上述の各種セラミックス材を金属材料に被覆した構造材を用いてもよい。
【００６０】
（封止材）
第１の実施形態で製造する封止材を用いることができる。
【００６１】
［第３の実施形態］
第２の実施形態での装置を使用し、封止材に第１の実施形態で製造する封止材を適用した上で、この封止材の上に、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、窒化珪素、炭化珪素のうち、１種又は２種以上の組み合わせを主体とした粒体を封止材である金属ガリウムの上に積載する。この積載物には、金属ガリウムの酸化抑制及び保温による箱型容器の破損防止効果がある。即ち、封止材に金属ガリウムを用いる場合、酸化性の作動ガスに対しては、液体ガリウムが表面から酸化して酸化ガリウムの硬い表層し、弁の開閉動作を阻害し得ると共に、金属ガリウムの損耗を生じる問題がある。また、金属ガリウムは凝固する際に膨張するため、弁の不使用時に弁を周囲から均一に冷却すると、金属ガリウム表面から凝固を生じ、内部に閉じ込められた液体が後に凝固する際、強い圧力を発生して容器を破壊する可能性があるからである。
【００６２】
上述の粒子層を金属ガリウム上に積載することで、封止材中の金属ガリウム表面上での通気を阻害して金属ガリウムの酸化を抑制することができる。また、金属ガリウム上の粒体層は断熱材として機能するので、弁を冷却する際に封止材中の金属ガリウム上面を保温するので、凝固は、表面以外の容器壁から生じて最後に金属ガリウム表面が凝固するので、上述の容器破損の問題を回避することができる。なお、封止材上の粒体は互いに自由に分離可能なので、弁体２の粒体層の通過を妨げないように粒体を配置することができる。
【００６３】
粒体層の厚みは、１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲が好ましい。この範囲よりも薄い粒体層の場合、通気性が高く、保温性も低いので粒体層の効果が著しく減少する。この範囲よりも厚い粒体層の場合、弁体が粒体層を通過する際の抵抗が大きくなり、弁の開閉を阻害する可能性があるので好ましくない。粒体の粒子直径は、１０μｍ以上、かつ、５００μｍ以下であることが好ましい。この範囲よりも小さい粒子の場合、弁箱内部で粒子の飛散を生じ易いので好ましくない。また、この範囲よりも大きい粒子の場合、通気性を阻害する能力が極端に低くなるので好ましくない。
【００６４】
（高温の作動ガス）
なお、本発明で用いる作動ガスは、これまで説明してきたウェットＣＯＧに限るものではなく、ガス成分による弁座や弁体の汚染や腐食が問題になり、かつ、高温を維持し続けなければならない全てのガス種、例えば、亜鉛蒸気や、重油蒸気を含有した石油ガス等に対して、適用可能である。
【００６５】
（適用装置）
また、発明で開示した封止材の適用は、仕切弁に限定されるものではなく、流量調整弁、高温炉壁継ぎ目及び炉壁開口部周囲のシーリング、動作頻度の比較的少ない回転体・摺動体の軸部での封止等に適用可能である。
【００６６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００６７】
１  ・・・弁箱
２  ・・・弁体
３  ・・・ガス流入管
４  ・・・ガス流出管
５  ・・・封止材
８  ・・・弁体昇降装置
９  ・・・下流側主管路
１４  ・・・ベローズ
１６  ・・・炉壁
１８  ・・・蓋（ストッパ）
１９  ・・・流入管側の空間
２０  ・・・流出管側の空間
２１  ・・・箱型容器
２２  ・・・弁体の上昇位置
２３  ・・・弁体の下降位置
２４  ・・・弁体上昇位置時の封止材表面
２５  ・・・弁体下降位置時の封止材表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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